遥感第七章辐射计.docx

第七章 辐射计§ 7.1 辐射计 (radiometer)辐射计是被动遥感(passively remote sensing)传感器辐射计只接收海面或大气的辐射，从中 提取物理信息，而不发射探测电磁波辐射计包括可见光和红外波段辐射计以及微波辐射(Microwave Radiometer) 可见光和近红外波段辐射计 ( Visible and Near-infrared Radiometer ) 在水色卫星上用来遥感海水叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度以及海水光学衰减系数等热红外波段辐射计( Thermal Infrared Radiometer) 在气象卫星和海洋卫星上用来遥感海面温度 微波辐射计在海洋卫星 上用来遥感海面温度、海面风速和风向、海面上空水汽浓度、降水率等，在航空遥感飞机上用来遥 感海面盐度目前正在运行的可见光和红外波段宽带辐射计包括我国风云 1 号装载的多通道可见光和红外扫描辐射计 MVISR ( Multi-function Visible and Infrared Scanning Radiometer ) ， 美国 NOAA 卫星装载的 改进型甚高分辨率辐射计 AVHRR ( Advanced Very High resolution Radiometer ) 。

目前正在运行的可见光和红外波段窄带辐射计包括我国海洋 1 号装载的中国水色和温度传感器 COCTS( Chinese OceanColor & Temperature Scanner)、美国 SeaStar装载的宽视场海洋观测传感器 SeaWiFS (Sea-ViewingWide Field-of-View Sensor )和美国卫星 EOS-AM (Terra)和 EOS-PM (Aqua)装载的中等分辨率成 像光谱仪 MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer) 其中， AVHRR 、 COCTS 和 MODIS 包括热红外波段；此外，欧空局卫星的 ERS 装载的沿轨迹扫描辐射计 ATSR ( Along-TrackScanning Radiometer )也属于热红外波段辐射计热红外波段的传感器可用于探测海表面温度；可 见光和近红外波段窄带辐射计可用于探测海洋水色和大气气溶胶光学厚度； 可见光和红外波段宽带 辐射计一般用于气象和陆地遥感目前正在运行的微波辐射计包括美国 DMSP 装载的专用传感器微波成像仪 SSM/I ，日本ADEOS-II 卫星装载的高级微波扫描辐射计 AMSR(Advanced Microwave Scanning Radiometer) ，美国 EOS-PM ( Aqua )卫星装载的日本国家航天发展局资助的 AMSR-E ( Advanced MicrowaveRadiometer for EOS) ，美国与法国合作发射的高度计卫星 Jason-1 装载的 Jason-1 微波辐射计 JMR(Jason-1 Microwave Radiometer) 。

此外，还有许多微波辐射计，本书没有全部介绍微波辐射计可 以全天候探测海表面温度、大气中水汽含量和可降水量§ 7.2 热红外辐射计对海表面温度的观测( Thermal Infrared Radiometer Observation of the Sea Surface Temperatur)e§ 7.2.1 海表面温度的红外遥感和大气校正红外传感器最初应用在军事方面，如早期的夜间瞄准具、红外夜视器等近 30 年来，红外遥感在海洋、 陆地环境和资源调查方面的应用日益广泛主要用于探测云层、海水、陆地的表层温度及水中生物、植被构成，检测火山、森林火灾等红外传感器的种类很多，一般可分作两类：可见光和近红外波段辐射计、 以及热红外波段辐射计 可见光和近红外波段辐射计的应用最广， 6000?K的太阳在此频率范围的辐射度最大，很多辐射计都工作在这一区域热红外波段对应于 300?K 的地球表面辐射度最大的波段根据普朗克黑体辐射定律，在热红外波段辐射计接收到的辐射功率代表着地球表面的 “冷” 或者 “热” ， 因此， 地球表面辐射照度最大的波段被称为热红外波段 (见图 4-3 ) 热红外信号一般较弱，但由于其波长较长，具有很大的绕射能力和穿透能力，不易受到雾、烟尘和气溶胶的影响； 即使穿过大气层， 热红外遥感也能够测到比较清晰的图像。

使用卫星观测海表面时，大气对海面红外信号的衰减属于噪音；因此大气校正是热红外遥感中的不可缺少的环节在热红外波段，大气对海面辐射的影响主要是通过吸收辐射和自发辐射的相互作用进行的7-1 中表示了不同大气成分在不同波长的吸收率在大气中只有二氧化碳的成分及分布是稳定的，而臭氧处于20-30km的高空，且白天的浓度大于晚上；水蒸气处于大气的底层（大约 10km）,水平分布变化很大，随时间的变化也很大大气层的温度比海面温度要低大气中各成分吸收了海面辐 射后变成大气的内能，以较低的温度向外辐射，从而使光谱的峰值移向较长的波长所以大气效应 减小了到达传感器的辐射，也改变了在不同通道（波段）接收到的辐射度值图7-1 :红外波段上不同大气成分的吸收率除大气的影响外，红外传感器的误差源还有红外传感器本身根据普朗克黑体辐射定律，辐射 率的热噪音产生的误差都可能造成温度测定的极大误差，因此要求辐射计具有较高的稳定性辐射 计的频率分辨率取决于传感器的噪声和模一数转换器的转换精度 传感器的噪声是目标温度和转换器电输出之和的积分时间的函数，转换器用于将辐射能量转化为电信号，积分时间越长，消除热随 机噪音就越容易云是海面温度遥感中必须剔除的因素。

由于云的范围变化很大，所以这种剔除要在逐个象元上进行消除云的方法一般可采用： 1）最大温度法：海表面温度与云表面温度相比要高，海表面温度变化的时间梯度（或空间梯度）与云表面温度变化的时间梯度（或空间梯度）相比要低若条件满足，则可认为是海面温度值，否则可认为是云这种方法对稳定薄云和不清晰云的情况并不适用2）多波段方法：这种方法依赖于两种不同的红外波长（一般为 3.7和10.5微米）上的亮度和温度之间的非线形关系如果在温暖的海面上覆盖分散的不清晰的云，则其图象在两个波段上将给出两 种不同的亮温；若是均匀的云块或海面，则其图象上将有相同的亮温雨云在可见光下的图像是明 显的3）图像目测判断法海表面温度（SST）的反演依据普朗克黑体辐射定律计算，海水的发射率（又成为“灰度” ）在热红外波段由经验确定，一般设为接近于 1的一个常数因为大气对不同波长不同时间的红外遥感有不同的影响效应， 根据大气对不同波段的电磁波谱的影响不同，可是用不同波段测量的线性组合来消除大气的影响 ，从而得到海表面温度（SST＞因此使用多通道技术对消除大气影响是非常有效的例如，在 NOAA气象卫星的AVHR所料处理中，人们经常使用多通道大气校正的经验算法。

红外辐射计资料经过大气校正后，还要进一步作物理海洋学方面的订正因为只有接近海面非 常薄的水层的水分子发射的红外辐射能够溢出水面，所以表层水分子的温度表征了辐射性质，控制 着遥测的亮度温度该表层的实际厚度是随辐射波长而变化的，对于我们感兴趣的3-15科m的红外#波长来说，该表层的厚度只有 0.1mm; 一般地，人们称这一表层为皮层因此遥感探测的只是海洋 的皮层温度，这与海洋学中所讲的表层水温 （表层1m厚水层的温度）有本质的差异平均来说，除极地海域外，大洋的垂直温度结构的主要特点之一就是存在着主温跃层 在温跃层之上有50-200m的混合层在低纬海区，混合层一直可以扩展到表层在中纬度海区也有类似结构 在一天中，由于日照的关系常常造成具有较高温度的皮层，特别是在强烈日照且风力较弱的夏季， 会形成昼日表层的温度跃层经过一段平静高温的照射，逐渐形成季节性温跃层这种昼日温跃层 和季节温跃层，使皮层温度与表层水温产生较大的差别，因此必须给予校正白昼温跃层在夜晚由 于风的扰动和热量的陆续输入，使其很快消失因此晚间取得的红外图像完全不存在昼日温跃层问 题皮温的偏差涉及到海面粗糙度、风力、雾、水汽、潮汐、海流、水质，乃至海面油膜等因素， 是一个非常复杂的海洋学问题，需要进行专门的研究。

在此主要介绍多通道大气校正的经验算法美国卫星EOS-AM （Terra）和EOS-PM （Aqua）装载的中等分辨率成像光谱仪 MODIS （ModerateResolution Imaging Spectro-Radiometer）包括热红外波段；关于 MODIS探测数据的大气校正的算法，威斯康辛大学 Menzel 等（2002）的研究 （MODIS Atmospheric Profile Retrieval Algorithm Theoretical Basis Document, Version 6, 本书第一章介绍的美国宇航局 MODIS主页提供了该文献的电子版）给出了详细的论述关于 MODIS探测数据的海表面温度（SST）的反演算法，迈阿密大学 Brown 等（1999）的研究（MODISInfrared Sea Surface Temperature Algorithm - Algorithm Theoretical Basis Document, Version 2.0, 本书第一章介绍的美国宇航局 MODIS主页提供了该文献的电子版）做出了重要贡献 图7-2显示了由热红外波段辐射计观测得到的全球海表面温度。

MODJS SST - 10 Nov 20001L5E4 6 0 10 12 14 16 19 30 22 超 28 30 33SST (degC)图7-2:由TERRA卫星的中等分辨率成像光谱辐射计（ MODIS）观测数据反演得到的全球海表面温度（ SST）（引自http://podaac.jpl.nasa.gov/）§ 7.2.2 红外遥感的应用研究温度是海洋学研究中最重要的参数之一，几乎所有的海洋过程，特别是海洋动力过程都直接或 间接的与温度有关例如，水温是划分水团的主要依据之一，是概括海洋锋面、流系的特征之一， 也是全球气候变化模式的主要输入量之一； 热带气旋、海-气交换、埃尔尼诺和拉尼娜现象等都与海水温度密切相关；生物种群分布、河游、繁殖等生命过程都受水温的制约和影响辐射计观测得到 的全球海表面温度可应用与下列研究领域：⑴ 气候学：众所周知，海洋的面积占地球表面积的 71%因此地球气候学在很大程度上决定于海洋气候学；海水的热容量相当于大气热容量的 1000倍，海水温度的微小变化都会对大气温度、 大气环流、天气形势、气候带来非常大的影响；海水的深度非常大，海面温度的任何微小变化都可能标志着海洋内部热能储蓄的重大变化。

因此，地球气候不独于大气有关，还需要了解海洋与大气之间的复杂的相互作用，海 - 气相互作用的基础是海面温度，海 - 气之间能量的交换正是通过海 - 气界面进行的气候学所用的海面温度的数据的空间分辨率在 1ox 1o至5°X5o之间，平均周期在5天至 30 天之间在卫星遥感之前，气候学研究所依靠的传统数据是商船和岸边台站提供的海洋观测数据，其数据误差的均方根误差为 0.5 °C,空间覆盖率仅限于主要的商业航线和人类居住的沿海海域，而在其他海域，观测资料少得可怜因此传统的气候学在空间可信度上有很大差异，或者说给出了一些模糊不清甚至错误的概念，还有许多未被人认识的问题卫星红外遥感恰好弥补了传统资料的不足和缺陷，为气候学研究打。